表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具，其中至少切削刃部分包括立方氮化 硼（以下還稱為"CBN"）燒結(jié)體和在該cBN燒結(jié)體的表面上形成的覆膜。
【背景技術(shù)】
[0002] 由cBN燒結(jié)體作為基材而形成的切削工具（以下將稱為"被覆cBN工具"）具有這樣 的表面，由陶瓷材料等制成的覆膜形成在該表面上。該工具展示出了優(yōu)良的耐磨性，因此將 該工具用于淬火鋼的切削加工。
[0003] 對于這樣的工具，例如WO 2010/150335(專利文獻(xiàn)1)和W02012/005275(專利文獻(xiàn) 2)分別公開了由cBN燒結(jié)體形成的、表面上被覆有覆膜的工具，該覆膜包括下層和上層，其 中所述下層由具有特定陶瓷組成的多個層形成，所述上層由化合物層形成。
[0004] 此外，具有覆膜的工具的基材不僅能通過cBN燒結(jié)體來形成，（例如)還可以由硬質(zhì) 合金等形成（日本專利待審公開No. 2008-188689(專利文獻(xiàn)3)和日本專利公開No. 2008- 534297(專利文獻(xiàn)4))。
[0005] 引用列表
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn) 1:W0 2010/150335
[0008] 專利文獻(xiàn)2:W0 2012/005275
[0009] 專利文獻(xiàn)3:日本專利待審公開No. 2008-188689
[0010] 專利文獻(xiàn)4:日本專利公開No .2008-534297

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問題
[0012] 近年來，切削加工要求極高的精度。在這種情況下，所要求的精確度是指:加工后 的加工材料展示出優(yōu)異的表面粗糙度，使得切削加工后不需要進(jìn)行精加工(如拋光）。換言 之，其與常規(guī)技術(shù)不同，切削加工還需要提供精加工。因此，當(dāng)前，將能夠保持規(guī)定的表面粗 糙度的切削距離（以下還稱為"表面粗糙度壽命"）視為用于確定工具性能的重要特征。然 而，常規(guī)的切削工具還沒有能夠充分滿足當(dāng)前用戶需求的表面粗糙度壽命。因此，在目前的 情況下，表面粗糙度壽命往往被簡單地視為工具壽命，并且強(qiáng)烈希望延長表面粗糙度壽命。
[0013] 可以考慮各種對加工材料的表面粗糙度產(chǎn)生影響的因素。其中，認(rèn)為由磨損導(dǎo)致 的刀頭形狀改變是有明顯影響的因素。因此，據(jù)認(rèn)為提高耐磨損性能夠有效地延長表面粗 糙度壽命。
[0014] 到現(xiàn)在為止，通過在基材的表面上形成覆膜已經(jīng)研制出具有更高的耐磨性的切削 工具。例如，已有這樣一種切削工具，其由硬質(zhì)合金制基材形成，并且該基材的表面上形成 有覆膜。已知這樣的切削工具在鋼加工過程中展示出了合適的耐磨性。
[0015] 然而，在硬度比鋼更高的淬火鋼的高精度加工中，即使與硬質(zhì)合金類似，在由cBN 燒結(jié)體制成的基材的表面上形成覆膜，也難以獲得足夠的表面粗糙度壽命。因此，在目前的 情況下，還未研制出在淬火鋼的高精度加工中具有長使用壽命的切削工具。
[0016]鑒于上述情況完成了本發(fā)明，本發(fā)明的目的在于提供一種被覆cBN工具，其在硬質(zhì) 材料(如淬火鋼)的加工中實(shí)現(xiàn)了高尺寸精度并具有優(yōu)異的工具使用壽命。
[0017]解決問題的方案
[0018] 為了解決上述問題，本發(fā)明人利用被覆有覆膜的被覆CBN工具加工淬火鋼，所述覆 膜具有各種組成和層疊結(jié)構(gòu)，并且本發(fā)明人還對工具的受損狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表 明，除了正常的月牙洼磨損和后刀面磨損外，在對應(yīng)于磨損部分的一端的前邊界部也發(fā)生 了邊界磨損。另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這種邊界磨損對于表面粗糙度壽命具有最顯著的影響。
[0019] 本發(fā)明人基于上述發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了反復(fù)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有特定組成的多層能夠有效 抑制邊界磨損。然后，他們獲得了以下靈感:將具有耐邊界磨損性的層和具有耐月牙洼磨損 性的層加以組合，從而能夠形成同時具有這些耐性特征的覆膜。由此，在用于實(shí)施上述靈感 的手段方面進(jìn)行了刻苦研究，申請人發(fā)現(xiàn):在于具有邊界磨損性的層和具有耐月牙洼磨損 性的層之間設(shè)置特殊的陶瓷層，不僅能夠具有這兩種耐性，而且還能夠顯著提高表面粗糙 度壽命。由此，本發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0020] 具體而言，本發(fā)明的表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具具有以下構(gòu)成（1)至(9)。
[0021] (1)至少切削刃部分包括立方氮化硼燒結(jié)體以及形成在所述立方氮化硼燒結(jié)體的 表面上的覆膜。
[0022] (2)所述立方氮化硼燒結(jié)體包含30體積％以上80體積％以下的立方氮化硼顆粒， 并且還包含結(jié)合相，所述結(jié)合相包含選自由在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族元 素和6族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及其固溶體構(gòu)成的組中的至少一種化合物、 鋁化合物、以及不可避免的雜質(zhì)。
[0023] (3)覆膜包括A層、B層和C層。
[0024] (4)A層包含MLazal(M表示在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元 素、以及A1和Si中的一種或多種;La表示B、C、N和0中的一種或多種;且zal為0.85以上1.0以 下)。
[0025] (5)B層通過交替層疊一層或多層的各化合物層而形成的，其中所述各化合物層為 具有不同組成的兩種或多種化合物層，并且各化合物層的厚度為30nm以上300nm以下。 [0026] (6)上述化合物層之一為B1化合物層，所述B1化合物層包含(Th-xbl- yblSixblMlybl) (Ci-zbiNzbi) (Ml表示在日本使用的元素周期表中除了Ti之外的4族元素、5族元素和6族元素、 以及A1中的一種或多種;xbl為0.01以上0.25以下;ybl為0以上0.7以下；且zbl為0.4以上1 以下）。
[0027] (7)上述化合物層之一為B2化合物層，所述B2化合物層不同于所述B1化合物層，并 且包含(Ali-xb2M2xb2) (Ci-zb2Nzb2) (M2表不在日本使用的兀素周期表中的4族兀素、5族兀素和 6族元素、以及Si中的一種或多種;xb2為0.2以上0.7以下;且zb2為0.4以上1以下）。
[0028] (8)C層設(shè)置在A層和B層之間，所述C層包含McLcz。(Me表示在日本使用的元素周期 表中的4族元素、5族元素和6族元素、以及A1和Si中的一種或多種;Lc表示B、C、N和0中的一 種或多種;且zc為大于0小于等于0.85)。
[0029] (9)A層的厚度為0.2μηι以上ΙΟμπι以下，B層的厚度為0.05μηι以上5μηι以下，C層的厚 度為0.005μηι以上0.5μηι以下，并且所述覆層的整體厚度為0.3μηι以上15μηι以下。
[0030]發(fā)明的有益效果
[0031]本發(fā)明的表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具實(shí)現(xiàn)了高的尺寸精度，并在硬質(zhì)材料(如淬 火鋼)的加工過程中展示出優(yōu)異的表面粗糙度壽命。
【附圖說明】
[0032]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具的結(jié)構(gòu)實(shí)例的截 面視圖。
[0033] 圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具的主要部分的結(jié) 構(gòu)實(shí)例的截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下文將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方案。以下將參照附圖進(jìn)行說明，其中在本發(fā) 明的附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或相應(yīng)的部分。
[0035]〈〈表面被覆氮化硼燒結(jié)體工具》
[0036] 在本發(fā)明實(shí)施方案的被覆cBN工具中，至少切削刃部分包括cBN燒結(jié)體和在cBN燒 結(jié)體的表面上形成的覆膜。如下所述，覆膜由具有優(yōu)異耐月牙洼磨損性的A層、具有優(yōu)異的 耐邊界磨損性的B層、以及牢固地接合A層和B層的C層形成，從而當(dāng)對燒結(jié)合金、難加工鑄 鋼、淬火鋼等進(jìn)行加工時，所述工具獲得了能夠維持長時間高尺寸精度的效果，即，表面粗 糙度壽命相對較長。此外，特別是對于利用切削液進(jìn)行的濕式切削而言，相比于常規(guī)切削工 具，本發(fā)明實(shí)施方案的被覆cBN工具能夠具有顯著延長的表面粗糙度壽命。。
[0037] 在濕式切削中，切削液(其也被稱為冷卻劑)不連續(xù)地與刀頭接觸，從而刀頭重復(fù) 發(fā)生快速冷卻和快速加熱。此外，當(dāng)覆膜具有通過層疊多個具有不同特性（如不同化學(xué)組 成）以及不同厚度的層而獲得的結(jié)構(gòu)時，會出現(xiàn)由于熱膨脹系數(shù)等的不同而更易于出現(xiàn)剝 離的問題。
[0038] 為了抑制這種剝離，提出了這樣一種方法，該方法在層之間設(shè)置作為密著層的金 屬層。然而，這樣的金屬層對于機(jī)械變形表現(xiàn)出了耐剝離性，但在伴隨邊界磨損的損壞模式 中卻沒有取得足夠的效果。據(jù)推測其原因是:空氣更易于滲透進(jìn)入邊界磨損部分，并且刀頭 暴露于高溫下，由此導(dǎo)致金屬層更易于氧化，從而難以維持耐剝離性。與此相反，根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施方案，由于采用了仍保留有金屬特性的陶瓷層作為密著層（以下所述的C層），因此 該密著層具有耐熱性和耐氧化性，因此能夠保持密著性。從而能夠提供優(yōu)異的表面粗糙度。 將在下文描述形成本發(fā)明實(shí)施方案的被覆cBN工具的各部分。
[0039] 〈cBN 燒結(jié)體〉
[0040] 在被覆cBN工具的切削刃部分中，本發(fā)明實(shí)施方案的cBN燒結(jié)體構(gòu)成用于所述工具 的基材，并且所述cBN燒結(jié)體包含30體積％以上80體積％以下的cBN顆粒，并且還包含結(jié)合 相作為剩余部分。
[0041] 在這種情況下，結(jié)合相包含:選自由在日本使用的元素周期表中的4族元素、5族元 素和6族元素的氮化物、碳化物、硼化物和氧化物及其固溶體構(gòu)成的組中的至少一種化合 物;鋁化合物；以及不可避免的雜質(zhì)。結(jié)合相將燒結(jié)體結(jié)構(gòu)中的cBN顆粒彼此結(jié)合在一起。當(dāng) cBN燒結(jié)體含有30體積％以上的cBN顆粒時，能夠防止作為工具基材的cBN燒結(jié)體的耐磨性 降低。此外，當(dāng)cBN燒結(jié)體包含80體積％以下的cBN顆粒時，具有優(yōu)異強(qiáng)度和韌性的cBN顆粒 充當(dāng)了燒結(jié)體結(jié)構(gòu)中的骨架結(jié)構(gòu)，從而能夠確保cBN燒結(jié)體的耐斷裂性。
[0042] 在本說明書中，根據(jù)以下方法測定cBN顆粒的體積含量。具體而言，對cBN燒結(jié)體進(jìn) 行鏡面拋光，然后用電子顯微鏡以2000倍的放大倍率觀察cBN燒結(jié)體結(jié)構(gòu)中任意區(qū)域的背 散射電子圖像。在這種情況下，觀察到cBN顆粒為黑色區(qū)域，而觀察到結(jié)合相為灰色或白色 區(qū)域。在觀察視野圖像中，利用圖像處理對cBN顆粒區(qū)域和結(jié)合相區(qū)域進(jìn)行二值化，從而測 定cBN顆粒區(qū)域的占有面積。然后，通過將占有面積代入如下公式，從而計算cBN顆粒的體積 含量：
[0043] (cBN顆粒的體積含量）=(cBN顆粒的占有面積）+ (視野圖像中cBN燒結(jié)體結(jié)構(gòu)的 成像面積）X 100。
[0044] 優(yōu)選地，cBN顆粒的體積含量為50體積％以上65體積％以下。當(dāng)cBN顆粒的體積含 量為50體積％以上時，被覆cBN工具傾向于表現(xiàn)出在耐磨性和耐斷裂性之間的優(yōu)異均衡。此 外，當(dāng)cBN顆粒的體積含量為65體積％以下時，則能夠適當(dāng)?shù)胤植冀Y(jié)合相，從而通過結(jié)合相 而增加 cBN顆粒之間的接合強(qiáng)度。
[0045] 此外，在cBN燒結(jié)體和覆膜之間的界面處，cBN顆粒優(yōu)選呈這樣的形狀，即cBN顆粒 朝向覆膜的突出程度大于其朝向結(jié)合相的突出程度。由此，能夠增加 cBN燒結(jié)體和覆膜之間 的密著性。此外，cBN顆粒和結(jié)合相之間的高度差優(yōu)選為0.05μπι以上1. Ομπι以下。當(dāng)高度差在 0.05μπι以上時，可以實(shí)現(xiàn)錨定效果。此外，當(dāng)高度差在Ι.Ομπι以下時，能夠有效地抑制cBN顆 粒從燒結(jié)體中脫落。在這種情況下，cBN顆粒和結(jié)合相之間的高度差更優(yōu)選為0. Ιμπι以上0.5 μπι以下。當(dāng)高度差落入該范圍內(nèi)時，能夠進(jìn)一步提高上述錨定效果和防脫落效果。在本說明 書中，高度差的測量方法與以下所述的覆膜的整體厚度等的測量方法